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        煤礦掘進(jìn)工作面衛(wèi)生型渦街流量計(jì)的優(yōu)化與實(shí)現(xiàn)

        發(fā)布時(shí)間:2024-06-07
        掘進(jìn)機(jī)運(yùn)行時(shí)會(huì)產(chǎn)生大量的粉塵,對(duì)煤礦環(huán)境造成很大影響。為了有效地控制粉塵,必須在粉塵擴(kuò)散到整個(gè)道路空間之前,找到一種能夠抑制靠近源頭的粉塵的介質(zhì)。衛(wèi)生型渦街流量計(jì)作為氣液介質(zhì),具有表面面積大、潤(rùn)濕性和附著力強(qiáng)的優(yōu)點(diǎn)。壓縮空氣、水和表面活性劑混合并通過(guò)金屬網(wǎng)強(qiáng)制形成衛(wèi)生型渦街流量計(jì)。衛(wèi)生型渦街流量計(jì)除塵效率大于 50%,噴水裝置的耗水量?jī)H為噴水裝置的 1/5 ~ 1/10。
        1 傳統(tǒng)衛(wèi)生型渦街流量計(jì)抑塵技術(shù)的缺點(diǎn)
        傳統(tǒng)的衛(wèi)生型渦街流量計(jì)抑塵技術(shù)在衛(wèi)生型渦街流量計(jì)生產(chǎn)和噴涂方面仍存在一定的缺陷。在生產(chǎn)方面,許多衛(wèi)生型渦街流量計(jì)發(fā)生器通常使用壓縮空氣來(lái)生產(chǎn)衛(wèi)生型渦街流量計(jì),并且在開挖面上使用衛(wèi)生型渦街流量計(jì)產(chǎn)生了限制 :
        (1)地下礦山壓縮空氣供應(yīng)的壓力常常是不穩(wěn)定的,難以調(diào)整,通常導(dǎo)致影響設(shè)備使用的高壓水回流 ;
        (2)通向發(fā)電機(jī)的壓縮空氣管道占用了掘進(jìn)機(jī)上的一些空間,增加了系統(tǒng)的復(fù)雜性,使其難以用于狹窄的開挖面。此外,傳統(tǒng)的衛(wèi)生型渦街流量計(jì)發(fā)生器通常采用定量添加劑泵來(lái)添加發(fā)泡劑,使系統(tǒng)更復(fù)雜,更容易燃燒。為了充分利用衛(wèi)生型渦街流量計(jì),衛(wèi)生型渦街流量計(jì)流的形狀必須與粉塵源的形狀相似。在目前的噴涂結(jié)構(gòu)中,通常使用固體錐形噴嘴和扁平噴嘴來(lái)噴涂衛(wèi)生型渦街流量計(jì)。由于縱向掘進(jìn)機(jī)的截割頭大致為錐形,噴嘴的噴霧范圍應(yīng)理想為圓形,接近切割頭的圓周,因此,通過(guò)固體圓錐噴嘴和扁平噴嘴的衛(wèi)生型渦街流量計(jì)流不能有效地覆蓋粉塵源,導(dǎo)致衛(wèi)生型渦街流量計(jì)利用率低。
        2 新型衛(wèi)生型渦街流量計(jì)
        為了克服這些缺點(diǎn),設(shè)計(jì)了優(yōu)化的衛(wèi)生型渦街流量計(jì)發(fā)生器、分配支座和噴嘴,并進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)室和現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn),取得了良好的效果。優(yōu)化后的衛(wèi)生型渦街流量計(jì)發(fā)生器由一個(gè)自吸部分和一個(gè)衛(wèi)生型渦街流量計(jì)產(chǎn)生部分組成,其電力只需要高壓水供應(yīng),通常在地下礦山可用。首先,高壓水流通過(guò)噴嘴將其轉(zhuǎn)化為高速湍流,自動(dòng)將環(huán)境空氣和發(fā)泡劑吸入混合室。然后,旋流器加速空氣和液體的混合以產(chǎn)生高質(zhì)量的衛(wèi)生型渦街流量計(jì)。新版本的優(yōu)點(diǎn)是 :壓縮空氣管道和添加發(fā)泡劑的外來(lái)設(shè)備全部拆除,使整個(gè)系統(tǒng)更加簡(jiǎn)單方便 ;自動(dòng)將空氣和發(fā)泡劑吸入混合裝置,消除了水回流 ;旋流器降低了混合裝置的阻力。
        根據(jù)射流理論,水射流形成的真空度隨著水流速度的增加而增大。真空度的增加會(huì)增加夾帶的空氣量,也會(huì)增加進(jìn)入混合室的發(fā)泡劑量。為了獲得衛(wèi)生型渦街流量計(jì)發(fā)生器的工作參數(shù),設(shè)計(jì)了相應(yīng)的實(shí)驗(yàn)系統(tǒng),測(cè)試了自吸能力和發(fā)泡能力。用空氣流量 qg 與水流量 qw 的比值來(lái)評(píng)價(jià)相對(duì)吸風(fēng)功能。衛(wèi)生型渦街流量計(jì)流量 qr 與水流 qw 的比值用于評(píng)價(jià)衛(wèi)生型渦街流量計(jì)函數(shù)。采用添加發(fā)泡劑流量 qa 與水流量 qw 的比值來(lái)評(píng)價(jià)添加發(fā)泡劑的性能。分析水流與空氣流動(dòng)、衛(wèi)生型渦街流量計(jì)流動(dòng)和發(fā)泡劑流動(dòng)的關(guān)系可知,隨著水流量的增加,空氣自吸量、衛(wèi)生型渦街流量計(jì)產(chǎn)生量和發(fā)泡劑吸力總量呈線性增加。這一現(xiàn)象證實(shí)了噴射理論。衛(wèi)生型渦街流量計(jì)主要由氣體組成,衛(wèi)生型渦街流量計(jì)的產(chǎn)生量與引氣量基本相同。通過(guò)實(shí)驗(yàn)分析,傳統(tǒng)發(fā)泡器發(fā)泡劑的添加比例通常超過(guò) 2%,新發(fā)電機(jī)的添加比例在 0.8% 到0.9% 之間。所提出的衛(wèi)生型渦街流量計(jì)發(fā)生器有效地降低了發(fā)泡劑的消耗。
        圖 1 為電弧風(fēng)扇噴嘴的結(jié)構(gòu)和噴霧,一種新型的噴嘴主要由一個(gè)衛(wèi)生型渦街流量計(jì)入口、出口和導(dǎo)流葉片組成。出流口的圓柱形設(shè)計(jì)降低了湍流強(qiáng)度。導(dǎo)流葉片類似于流線型尾部,產(chǎn)生類似于弧形風(fēng)扇形狀的衛(wèi)生型渦街流量計(jì)噴霧,其形狀類似于掘進(jìn)機(jī)的粉塵源。
        為了描述衛(wèi)生型渦街流量計(jì)的覆蓋性能,定義了兩個(gè)幾何參數(shù) :cov 年齡和弦長(zhǎng)度 lch 和覆蓋直徑長(zhǎng)度 hch 。 lch 代表了單弧風(fēng)機(jī)噴嘴所能覆蓋的粉塵源的弦長(zhǎng), hch 代表覆蓋塵源與覆蓋弦長(zhǎng)之間的垂直距離,覆蓋弦長(zhǎng)和覆蓋直徑長(zhǎng)度可確定衛(wèi)生型渦街流量計(jì)流的最終覆蓋面積。
        電弧風(fēng)機(jī)噴嘴 l , d 、 h 的導(dǎo)葉長(zhǎng)度、長(zhǎng)徑和短徑是影響衛(wèi)生型渦街流量計(jì)覆蓋性能的關(guān)鍵因素。根據(jù)空間幾何結(jié)構(gòu),計(jì)算噴嘴結(jié)構(gòu)參數(shù)與衛(wèi)生型渦街流量計(jì)覆蓋性能之間的關(guān)系。為了得到覆蓋弦長(zhǎng)的修正系數(shù) k 和覆蓋直徑長(zhǎng)度的修正系數(shù) ε,對(duì)導(dǎo)葉長(zhǎng)度、長(zhǎng)徑和短徑不同的噴嘴進(jìn)行了研究。為了適應(yīng)地下環(huán)境,將衛(wèi)生型渦街流量計(jì)出口直徑和導(dǎo)葉長(zhǎng)度分別設(shè)置為 10 mm 和 30 mm。
        hch 和 lch 由高速攝像機(jī)測(cè)量,該攝像機(jī)能夠捕捉和分析照片的具體尺寸。實(shí)驗(yàn)中使用的高速相機(jī)有 1280×800 像素,拍攝速度為每秒 200 幀。為了提高對(duì)比度,在實(shí)驗(yàn)過(guò)程中使用黑色窗簾模擬巷道,以便攝像機(jī)能夠清晰地捕捉衛(wèi)生型渦街流量計(jì)流。
        通過(guò)理論計(jì)算和實(shí)驗(yàn)測(cè)試,得到了相關(guān)參數(shù),并可知實(shí)際覆蓋弦長(zhǎng)或覆蓋直徑長(zhǎng)度與導(dǎo)流葉片長(zhǎng)徑或短徑的變化趨勢(shì)相同,修正系數(shù) k 在 0.68~0.85 之間,修正系數(shù) ε在 0.60~0.72 之間,平均值分別為 0.75 和 0.68。
        選擇某煤礦正在進(jìn)行巖石開挖的 810 巷道作為現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)場(chǎng)地。巷道支護(hù)斷面面積 13.87 m 2 (寬 4.6 × 高 3.5m)。巖石巖性主要為砂質(zhì)泥巖和中砂巖,可產(chǎn)生大量粉塵。為了解決大功率電機(jī)的粉塵問(wèn)題,采用了兩個(gè)衛(wèi)生型渦街流量計(jì)發(fā)生器和四個(gè)電弧風(fēng)扇噴嘴。由于切割頭的外徑為 1 212 mm,因此計(jì)算出 lch =856.9 mm 和 hch =177 mm。噴嘴與目標(biāo)點(diǎn) ltd 之間的距離為 1 000 mm。根據(jù)計(jì)算得出導(dǎo)葉 d 、 h的長(zhǎng)徑和短徑分別為 34.3 mm 和 7.8 mm。為了驗(yàn)證噴嘴的實(shí)際覆蓋性能,在實(shí)驗(yàn)室中測(cè)量了覆蓋弦長(zhǎng)和覆蓋直徑長(zhǎng)度,結(jié)果為 lch =859 mm 和hch =156 mm。覆蓋弦長(zhǎng) lch 滿足條件,但覆蓋直徑hch 小于要求。為了解決這一問(wèn)題,測(cè)試了不同結(jié)構(gòu)參數(shù)的噴嘴,最終選擇 d =34.3 mm, h =9 mm 的噴嘴。圖 2 示出了所提出的衛(wèi)生型渦街流量計(jì)產(chǎn)生設(shè)備的實(shí)施方案。這主要包括發(fā)泡劑單元(560 mm×460 mm×220 mm 高,重達(dá) 40 kg)和兩個(gè)集成衛(wèi)生型渦街流量計(jì)發(fā)生器,一個(gè)在該單元的任何一側(cè)。單元和衛(wèi)生型渦街流量計(jì)發(fā)生器通過(guò)流入軟管和針閥連接。在 318 kw 縱向掘進(jìn)機(jī)上安裝的防塵系統(tǒng),四個(gè)磁鐵將衛(wèi)生型渦街流量計(jì)生產(chǎn)設(shè)備安裝在駕駛員旁邊的掘進(jìn)機(jī)上,以便及時(shí)和方便地控制。50 mm 直徑的地下高壓水管被 t 型閥門分成兩個(gè)直徑為 19 mm 的管道。衛(wèi)生型渦街流量計(jì)發(fā)生器 :兩個(gè)直徑為 25 mm 的管子將衛(wèi)生型渦街流量計(jì)噴到支撐件和噴嘴上,兩個(gè)衛(wèi)生型渦街流量計(jì)發(fā)生器的工作水流為 1 m 3 /h,衛(wèi)生型渦街流量計(jì)產(chǎn)生率為 60 m 3 /h。經(jīng)過(guò)現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)表明,優(yōu)化后的系統(tǒng)比傳統(tǒng)系統(tǒng)更加穩(wěn)定可靠。獲得了三組不同條件下總粉塵( td )和呼吸性粉塵( rd )的粉塵濃度測(cè)量數(shù)據(jù),試驗(yàn)結(jié)果表明,新的衛(wèi)生型渦街流量計(jì)技術(shù)對(duì) td 的抑制效果為 87.3%,rd 為 85.9%,均高于傳統(tǒng)方法的等效值。
        4 結(jié)語(yǔ)
        設(shè)計(jì)了一種用于煤礦掘進(jìn)工作面的優(yōu)化衛(wèi)生型渦街流量計(jì)。通過(guò)礦井輸送的高壓水為擬議的衛(wèi)生型渦街流量計(jì)生產(chǎn)設(shè)備提供動(dòng)力,自吸單元自動(dòng)地吸引環(huán)境空氣和發(fā)泡劑以產(chǎn)生衛(wèi)生型渦街流量計(jì),然后將電弧噴涂到衛(wèi)生型渦街流量計(jì)噴嘴上。壓縮空氣塞和添加發(fā)泡劑的附加設(shè)備被去除,使得整個(gè)系統(tǒng)更簡(jiǎn)單,所提出的衛(wèi)生型渦街流量計(jì)發(fā)生器需要更少的水和起泡劑,電弧風(fēng)扇噴嘴提高了衛(wèi)生型渦街流量計(jì)利用效率。
        現(xiàn)場(chǎng)實(shí)施表明,優(yōu)化后的系統(tǒng)比傳統(tǒng)系統(tǒng)具有更高的抑塵效率和穩(wěn)定性。為煤礦采掘工作面提供了較好的防塵要求,具有廣闊的應(yīng)用前景。
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